电磁场第四章电磁波的传播.ppt
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1、研究生学位课程研究生学位课程(4 4)电磁场 理论 Theory ofE Electromagnetic Fields主讲 哈工大 江滨浩 教授 第四章 电磁波的传播4.14.1电磁场的定态波动方程电磁场的定态波动方程4.24.2平面电磁波平面电磁波4.34.3电磁波在介质界面上的反射与折射电磁波在介质界面上的反射与折射 4.44.4导电煤介中的电磁波导电煤介中的电磁波4.54.5电磁波在介质界面上的正入射电磁波在介质界面上的正入射4.64.6波速度波速度 回顾:波动是电磁场的基本属性?当 时,电场和磁场相耦合,相互为源,可以脱离电荷、电流,以波的形式存在于空间中电磁波 无源情况下的麦克斯韦方
2、程组真空中:?电波动方程横波条件?磁波动方程横波条件?波速度 物质不灭定律,能量守恒与转换定律,质能关系,动量守恒定律n粒子性 光子 能量能量动量动量质量质量n电磁波具有能量、动量、质量等物质的基本属性,服从物质基本定律n电磁波独立存在,不依附电荷n与实物粒子可以互换n n与一般物质不同:与一般物质不同:光子无静止质量,真空中光速不变,电磁波具有空间共存性。正、负电子对两个光子电磁波的物质性电磁波的物质性电磁理论中的波问题n n 传播问题传播问题(介质中的本征模式),(介质中的本征模式),n n 吸收吸收(与物质相互作用,能量转换),(与物质相互作用,能量转换),n n 辐射辐射(发射、激发)
3、,(发射、激发),n n 散射,散射,反射反射/折射折射,绕射绕射/衍射衍射(二次源辐射)(二次源辐射)电磁波谱电磁波谱VHF,FMRFMW电子电子,核自旋核自旋UHF晶体晶体IR分子振分子振,转动转动热电偶热电偶UV内内,外层电子外层电子光电管光电管可见光可见光外层电子外层电子人眼人眼波波 谱谱 微观源微观源检测方法检测方法人工源人工源电力电力交流发电机交流发电机电子线路电子线路电子线路电子线路行波管行波管磁控管磁控管速调管速调管热物体热物体,灯灯,电火花电火花弧光弧光,激光激光X-ray内层电子内层电子电离室电离室X-X-射线管射线管-ray原子核原子核加速器加速器盖革计数管盖革计数管电磁
4、波的波段划分及其应用电磁波的波段划分及其应用 名名 称称频率范围频率范围波长范围波长范围典型业务典型业务甚低频VLF超长波 330KHz10010km导航,声纳低频LF长波,LW 30300KHz101km导航,频标中频MF中波,MW 3003000KHz1km100mAM,海上通信高频HF短波,SW 330MHz100m10mAM,通信甚高频VHF超短波 30300MHz101mTV,FM,MC特高频UHF微波 3003000MHz10010cmTV,MC,GPS超高频SHF微波 330GHz101cmSDTV,通信,雷达极高频EHF微波 30300GHz101mm通信,雷达光频 光波 m
5、光纤通信 定态波动方程pp对介质的考虑pp 介质的色散性质pp 电磁场的傅立叶变换pp 定态波动方程pp Helmhotz 方程pp 电磁场时空联合傅立叶变换?严格地讲一般不成立对介质的考虑介质中,电磁场方程能否写成 严格的(前述的)波动方程的形式?如果可以,有无条件?条件是什么??均匀、稳定的介质也不行!随时变的电场加在介质上,介质的响应会有延时,并且不同时间的作用会累加,因此响应的结果与过程有关。?介质中的微观粒子(如电子)由于其惯性,来不及响应外场介质的色散性质?对一般的介质中的电磁场,不满足波动方程。怎么办?!一般的介质具有色散性质,即介质对电磁场的响应性质与电磁场的变化频率有关:?色
6、即是频率,散即是不同。“色散”就是对不同频率响应性质不同电磁场的傅立叶变换任一时域函数 ,可以视为由频域函数 叠加而成,反之亦然。这就是傅立叶(Fourier)变换:?正变换?逆变换对电磁场作傅立叶变换:定态波动方程若电磁场以特定频率随时间作简谐变化,称为 定态,即傅立叶分解的一个基态:代入麦克斯韦方程:其中:?定态波动方程不是空间函数Helmhotz 方程定态情况下的电磁场方程可以写成:?此处的 是电磁场的振幅,时间变化部分不包含在内或者?Helmhotz 方程电磁场时空联合傅立叶变换对任一时空变化的函数 ,可以进行时空联合的傅立叶变换:?逆变换?任意的时空函数,可以写成下列基(本)函数之叠
7、加:?正变换p 时空(时域)表达式:p 波函数的宗量形式:课堂休息课 堂 休 息 平面波 平面波是 Helmhotz方 程的解 平面电磁波特性 平面电磁波能流 极化 理想介质中的平面波p 时空变化电磁场傅立叶变换中的一个基函数谱函数。p 平面电磁波也可看作是均匀、无限大介质中远离场源区域麦克斯韦方程 的解,实际要求:均匀空间的线度远大于波长,无反射n 理想介质:均匀且无介质损耗 平面波一般平面波形式为:称为波矢,代表波传播方向,波数空间两点 ,,若满足 ,?平面波则场相同,垂直于 的平面上各点场值相同相速度:(传播方向上)相位传播速度 称为振幅Ot1=0平面波是 Helmhotz 方程的解对平
8、面波,微分算符变成代数算符:是Helmhotz方程的解平面电磁波特性平面电磁波:平面电磁波为横波:相互垂直,构成右手螺旋:同相位,p 波阻抗:同方向 电场/磁场 (TEM 波)Z in平面电磁波能流平面电磁波能量密度:电、磁能量相等,可相互转换能量、能流密度瞬时值:平面电磁波能流密度:?能流方向为波矢方向,其值为能量密度与相速度之积能量、能流密度时间平均值:波极化(1 1)?特定的平面电磁波有一个独立变化的矢量 ,但 两个自由度、两种状态 偏振态电场可分解两个矢量之和偏振系指电场矢量 在垂直于传播方向的平面内的随随时时间间变变化化的的(振动)状态,电场强度 矢量末端随时间变化的轨迹 n 直线极
9、化 设 x 为波的传播方向合成Y-轴取向直线极化波Z-轴取向直线极化波极化方向与时间无关.两个相位相同(或相反),振幅不等的空间相互正交的 线极化平面波,合成后仍然形成一个线极化平面波,反之可分解。波极化(2)n 圆极化特点:Ey 和 Ez 振幅相同,相位差90合成后E y 超前 E z 为右旋极化波Ey 滞后 Ez 为左旋极化波EzE yEzy0左旋右旋p 可见,两个振幅相等,相位相差 90 度的空 间相互正交的线极化波,合成后形成一个圆 极化波;反之可分解p 还可证明,一个线极化波可以分解为两个旋转方向相反的圆极化波。反之亦然波极化(3 3)n 椭圆极化特点:和 的振幅不同,相位不同。合成
10、后椭圆的长轴与 y 轴的夹角为-分为右旋极化和左旋极化若 椭圆的长短轴与坐标轴重合若 时,椭圆极化 直线极化若 时,椭圆极化 圆极化波极化(4 4)n电磁波的极化特性的实际应用 圆极化波穿过雨区时受到的吸收衰减较小,全天候雷达宜用圆极化波 在移动卫星通信和卫星导航定位系统中,由于卫星姿态随时变更,应 该使用圆极化电磁波 在无线通信中,为了有效地接收电磁波的能量,接收天线的极化特性 必 须与被接收电磁波的极化特性一致 在微波设备中,有些器件的功能就是利用了电磁波的极化特性获得的,例如,铁氧体环行器及隔离器等 立体电影是利用两个相互垂直的偏振镜头从不同的角度拍摄的。因此,观众必须佩带一副左右相互垂
11、直的偏振镜片,才能看到立体效果。n 电磁波不一定具有固定的极化特性,其极化特性可能是随机的。将电磁 波的极化称为偏振,为了获得偏振光必须采取特殊方法。课堂休息课 堂 休 息4.3 电磁波的反射与折射uu 引 言uu 介质界面上的边值关系uu 反射、折射定律uu 菲涅耳公式uu 全折射,线偏振u 全反射,表面波 引 言p 界面介质电磁特性的突变,入射电磁波在界面两侧的薄层内感应出时 变的极化电荷(电流)和磁化电流,成为新的电磁波辐射源。新的辐 射源向界面两侧辐射电磁波,其中在入射波所在空间的部分称为反射 波,在界面另一侧的称为透射波或折射波。pp 包括两个方面包括两个方面:运动学规律运动学规律:
12、入射角、反射角和折射角的关系入射角、反射角和折射角的关系 动力学规律动力学规律:入射波、反射波和折射波的振幅比和相对相位关系入射波、反射波和折射波的振幅比和相对相位关系感应极化电荷感应极化电荷极化电流层等极化电流层等入射波入射波反射波 透射波感应极化电荷感应极化电荷极化电流层等极化电流层等完全依赖于电磁场的特定性质以及边界条件完全依赖于电磁场的特定性质以及边界条件定态电磁场?、由 、表示 介质界面上的边值关系基本方程一般情况方程边条件无源、介质情况 证明:其它两个方程和 边界条件是不独立的平面电磁波边界条件几何n考察两介质界面为无限大平面?对于平面电磁波的边界情况,设入射波在介质 1 中,在边
13、界处激发新的波,其中在介质 1 内传播的称为反射波,在介质 2 中传播的波称为折射波。?频率不变,这是边界条件满足的基本要求。(1)入射波(介质 1 内):(2)反射波(介质 1 内):(3)折射波(介质 2 内):三波矢共面n由电场边界条件?反射波矢、折射波矢与入射波矢在同一平面上(入射面)由于对任意 成立,有:取入射波波矢在 平面:证 明 反射、折射定律n波矢关系:?反射定律、折射定律电磁波运动学结论?相相位位匹匹配配条条件件:反反射射波波及及折折射射波波的的相相位位沿沿边边界界的的变变化化始始终终与入射波保持一致与入射波保持一致,衔接条件的要求衔接条件的要求n射线是可逆的,即入射波从哪种
14、介质入射如上结果均成立 而垂直偏振与平行偏振电磁波有两种偏振态,这里划分:(1)垂直偏振,电场矢量垂直入射面(TE 波)(2)平行偏振,电场矢量在入射面内(TM 波)?若入射波是垂直偏振,则反射、折射波也是垂直偏振?若入射波是平行偏振,则反射、折射波也是平行偏振证 明 但当入射是圆极化时,反射波和折射波可能是椭圆极化的,且旋转方向也不同 除非垂直和平行偏振态情况下,两种偏振的反射系数和折射系数相同。附:诸k 相等之证明证明:将上式分别对 微分一次、二次,有非平庸解要求:至少有两者相等,设:?对任意 有 ,则有证毕附:垂直偏振波入射情况证明:由振幅边界条件?若 ,则由横波条件:证毕以上 4 方程
15、是关于 的线性齐次方程附:平行偏振波入射情况证明:由振幅边界条件?若 ,则证毕以上 2 方程是关于 的线性齐次方程垂直偏振入射时振幅关系n 联立,解有n 基本方程组 平行偏振入射时振幅关系p 联立,有p 基本关系总结:菲涅耳(Fresnel)公式课堂休息课 堂 休 息 基 本 特 征n n 垂直极化的反射系数的幅角保持定值垂直极化的反射系数的幅角保持定值 不变;模随波的入射角的增加不变;模随波的入射角的增加 而增大,但变化缓慢而增大,但变化缓慢n n 平行极化时;当平行极化时;当 ,反射系数下降减小,幅角约为,反射系数下降减小,幅角约为零零恒值恒值 当当 时,反射系数模变为零,幅角发生突变;当
16、时,反射系数模变为零,幅角发生突变;当 反射反射 系数模随入射角的增加增大,幅角为恒定值(约为系数模随入射角的增加增大,幅角为恒定值(约为 )p 当入射角 (正投射)时,异号?(如前图)p 当入射角 (称为斜滑)投射时,当十分倾斜观察物体表面时,物体显得明亮反射系数曲线反射系数曲线 低空雷达盲区半波损失n 对垂直极化波,当平面波从光疏介质入射到光密介质时,根据根据n 对水平极化波,当 此时,p 如上结果与前页图示 相同。反射波与入射波的相应分量反向,即反射波与入射波位相相差 ,好象差个半波长,称为半波损失p 但,对垂直极化波,当平面波从光密介质入射到光疏介质时,即 反射波与入射波同位相,无半波
17、损失。全折射,线偏振器n 当反射系数为零时,可认为电磁波发生全折射由知 当而垂直极化波的反射系数,仅当 不可能发生无反射p 若以布鲁斯特角向边界斜投射时,反射波中只剩下垂直极化波。即可获得 具有一定极化特性的偏振光。p 例,相对介电常数为 当入射以布鲁斯特角 入射时,布鲁斯特角全反射(1)直角坐标系下 Helmhotz 方程解的一般形式:可以小于零标记 无论何种极化,的现象称为全反射。p 显然,当 ,即 因函数 ,故仅当 时才可能发生全反射现象。只有当平 面波由光密媒质进入光疏媒质时,才可能发生全反射现象。全反射(2)p 根据斯耐尔定律 ,可见当入射角满足上式时,折射角已增 至 。因此,当入射
18、角大于发生全反射的角度时,全反射现象继续存在p 现研究入射角大于临界角情况,此时xz介质介质1介质介质2反射系数的模值为1,但幅角不同全反射(3 3)当波束以大于临界角的入射角向边界投射时,即可发生全反射,光波局限在芯线内部传播,导波原理 介质波导 例 电磁波以角度 入射,并只在棒内传播,求该棒的相对介电常数 的取值范围临界入射角当 ,即 发生全反射因为解得折射定律表面波(加装金属外壳可屏蔽掉,形成光缆表面波(加装金属外壳可屏蔽掉,形成光缆)221表面波表面波表面波(1)p 折射波应该与入射波相同,是平面电磁波,以保证边界条件的成立p 折射定律 当入射角大于临界角时p 折射波表面波(2)c沿介
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- 电磁场 第四 电磁波 传播
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